WO2018074591A1 - インペラ及び回転機械 - Google Patents

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WO
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long
impeller
short
diffuser
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Inventor
佐野　岳志
真成 飯野
圭一 目黒
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三菱重工業株式会社
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/52—Outlet

Definitions

  • the present invention relates to an impeller and a rotating machine.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-206998 filed in Japan on October 21, 2016, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • a centrifugal pump for pumping fluid is widely used (see Patent Document 1 below).
  • the fluid is pumped by rotating an impeller having a plurality of blades. Is done.
  • the impeller includes a disk-shaped disk and a plurality of blades arranged on the disk surface, which is a surface on the disk, at intervals in the circumferential direction.
  • the flow path formed between a pair of adjacent blades gradually increases in area from the inner side to the outer side in the radial direction of the disk.
  • the present invention provides an impeller and a rotating machine capable of reducing flow separation and stabilizing rotation.
  • the impeller is provided with a disc-shaped disc centered on the axis, and a disc surface on one side in the axial direction of the disc with a space in the circumferential direction.
  • a long blade extending toward one side in the circumferential direction toward the outer side and reaching the outer peripheral edge of the disk and a long blade adjacent to each other on the disk surface,
  • a short wing extending from one position radially outward from the end to the one outer side in the circumferential direction toward the outer side in the radial direction, and the short wing circumferentially extending toward the outer side in the radial direction.
  • the dimension in the direction gradually increases, and the long blade has a circumferential dimension at the outer peripheral edge that is smaller than a circumferential dimension at the outer peripheral edge of the short blade.
  • the area expansion rate of the flow path formed between the long blades adjacent to each other can be reduced compared to the case where only the long blade is provided. Therefore, the possibility that flow separation occurs on the surface of the long blade can be reduced.
  • the weight on the outer peripheral side can be reduced as compared with the case where only short blades are provided. As a result, unbalanced vibration can be suppressed, and pulsation of the discharge pressure can also be suppressed.
  • the long blade is a portion radially outside the throat position where the flow path width between the long blade and the short blade adjacent to the other circumferential side is the smallest. May be equal to or less than the thickness at the throat position.
  • the long blade has a long blade pressure surface facing the one side in the circumferential direction and a long blade suction surface facing the other side in the circumferential direction.
  • a short blade pressure surface facing the one side in the direction and a short blade suction surface facing the other side in the circumferential direction, from the suction surface of the long blade on the outer peripheral edge of the disk to the pressure surface of the short blade When the circumferential dimension is the flow width on the long blade pressure surface side and the circumferential dimension from the pressure surface of the long blade to the suction surface of the short blade is the flow width on the long blade pressure surface side,
  • the flow path width on the long blade suction surface side may be equal to or less than the flow path width on the long blade pressure surface side.
  • the flow area of the throat between the long blades and the throat between the long blade suction surface and the short blade pressure surface can be reduced by bringing the short blades toward the long blade pressure surface side. Can do. Thereby, pressure loss can be reduced when fluid flows from the radially inner side of the disk to the radially outer side.
  • the ratio of the channel width on the long blade pressure surface side and the channel width on the long blade suction surface side may be in the range of 3: 7 to 1: 1. .
  • the blade length of the short blade may be 20% or more and 80% or less of the blade length of the short blade.
  • the short blade length when the short blade length is set to 20% or more and 80% or less of the long blade length, the lengths adjacent to each other on the outer periphery without inhibiting formation of the throat between the adjacent long blades. It is possible to prevent the separation between the blades due to the increased spacing between the blades. Furthermore, it is more suitable when it is 20% or more and 70% or less.
  • the width of the long blade at the outer peripheral edge is the long blade outlet width TL
  • the width of the short blade is the short blade outlet width TS
  • the outer diameter of the impeller is D
  • the long When the number of blades is Z, a relationship of TL ⁇ TS ⁇ 0.5 ⁇ ⁇ D / Z ⁇ TL may be established.
  • the flow path of the fluid flowing from the radially inner side to the radially outer side by making the dimension of the short blade outlet width smaller than half the dimensional interval between the adjacent long blades on the outer peripheral edge The fluid can be circulated without excessively narrowing.
  • the rotary machine includes a rotor extending along an axis, the impeller according to any one of the first to sixth aspects attached to the rotor, and the impeller.
  • the diffuser may further include a diffuser provided on the outer peripheral side of the impeller, and the diffuser may include a diffuser blade whose blade thickness gradually increases from a leading edge to a trailing edge.
  • the wing thickness of the diffuser blade gradually increases from the leading edge to the trailing edge, so that excessive expansion of the flow path can be suppressed even in the diffuser, and separation loss can be suppressed. Furthermore, it is possible to suppress an increase in unsteady fluid force and pressure pulsation due to interference with the long blade diffuser.
  • the present invention further comprises a diffuser provided on the outer peripheral side of the impeller, wherein the diffuser has a diffuser short blade whose blade thickness gradually increases from a leading edge to a trailing edge, and the blade thickness is And a diffuser long blade thinner than the trailing edge of the diffuser short blade.
  • the structure can be simplified as compared with the shape in which the thickness of all the diffuser blades gradually increases from the leading edge to the trailing edge, so that the cost can be reduced.
  • the centrifugal pump 1 includes a rotor 2 extending along an axis O, an impeller 3 attached to the outer peripheral portion of the rotor 2, a casing 4 that covers the rotor 2 and the impeller 3 from the outer peripheral side, and a diffuser 5 is provided.
  • the rotor 2 has a cylindrical shape with the axis O as the center. Journal bearings 6 and thrust bearings 7 are provided at both ends of the rotor 2 in the direction of the axis O. The rotor 2 is supported by these bearing devices so as to be rotatable around the axis O.
  • the journal bearing 6 is a bearing for supporting the load of the rotor 2 from the radial direction.
  • the thrust bearing 7 is a bearing for supporting a load in the thrust direction (axis O direction) related to the rotor 2.
  • the impeller 3 is fixed to the outer peripheral portion of the rotor 2 by, for example, an interference fit. That is, the impeller 3 rotates around the axis O together with the rotor 2.
  • the casing 4 accommodates the rotor 2 and the impeller 3 therein, and forms a fluid flow path 8 for circulating a fluid. More specifically, the inner peripheral surface of the casing 4 is repeatedly expanded and contracted from one side in the axis O direction (left side in FIG. 1) toward the other side in the axis O direction (right side in FIG. 1). The fluid flow path 8 is formed.
  • An inlet 9 for introducing a fluid from the outside is formed on one side of the casing 4 in the direction of the axis O.
  • a discharge port 10 is formed on the other side in the axis O direction of the casing 4 to discharge the fluid pumped through the fluid flow path 8.
  • the side on which the introduction port 9 is located is called the upstream side
  • the side on which the discharge port 10 is located is called the downstream side.
  • the diffuser 5 is provided on the fluid outlet side of each impeller 3 in the fluid flow path 8 formed by the casing 4.
  • the impeller 3 includes a disk-shaped disk 11 centering on the axis O, and a plurality (three in the present embodiment) of long blades 20 provided on one side of the disk 11 in the axis O direction. And a plurality (three in this embodiment) of short blades 30.
  • each of the long blades 20 extends radially outward from the introduction portion 12.
  • the long blade 20 has a long blade pressure surface 21 facing one side in the circumferential direction (the front side in the rotation direction of the impeller 3) and a long blade negative pressure surface 22 facing the other side in the circumferential direction (the rear side in the rotation direction of the impeller 3).
  • the short blade 30 extends outward in the radial direction from the radially outer position to the outer peripheral edge than the radially inner end of the long blade.
  • the short blade 30 has a short blade pressure surface 31 facing one side in the circumferential direction and a short blade suction surface 32 facing the other side in the circumferential direction.
  • the long blade 20 is curved from one side in the circumferential direction toward the other side from the inner side in the radial direction with respect to the axis O toward the outer side in the radial direction.
  • the long blade pressure surface 21 has a convex curved surface that is convex toward one side in the circumferential direction.
  • the long blade suction surface 22 has a concave curved surface that is recessed toward one side in the circumferential direction.
  • the short blade 30 gradually increases in size in the circumferential direction from the radially inner side toward the radially outer side. That is, in the short blade 30, the thickness increases toward the radially outer portion.
  • An end portion on the outer peripheral side of the short blade 30 is a short blade outer peripheral portion 33 along the outer peripheral edge of the disk 11.
  • Such long blades 20 and short blades 30 are alternately arranged three by three at intervals in the circumferential direction of the axis O. Note that the number of the short blades 30 and the long blades 20 may not be the same, and a plurality of short blades may be disposed between adjacent long blades.
  • a space extending in the circumferential direction is formed between the long blades 20 and the short blades 30 adjacent to each other.
  • This space is an impeller flow path F through which the fluid guided from the introduction part 12 flows.
  • the impeller channel F has a circumferential dimension that increases from the radially inner side toward the outer side. Further, the impeller channel F is curved from one side in the circumferential direction toward the other side from the inner side in the radial direction toward the outer side.
  • the long blades 20 are adjacent to each other in the portion where the short blades 30 are not formed in the inner peripheral portion of the impeller 3.
  • a portion where the flow path width in the impeller flow path F between adjacent long blades 20 is the smallest is the first throat position S1.
  • a portion where the impeller flow path F between the long blade 20 and the short blade 30 in the portion where the long blade 20 and the short blade 30 are adjacent to each other on the outer periphery of the impeller 3 is the smallest is the second throat position S2. .
  • the thickness of the long blade 20 gradually increases from the radially inner end to the radially outer side, and is greatest at the second throat position S2. And in the part of radial direction outer side than 2nd throat position S2, thickness becomes smaller than said 2nd throat position S2. In particular, in the present embodiment, the thickness of the long blade 20 gradually decreases as it goes radially outward from the second throat position S2.
  • the dimensional interval at the outer peripheral edge of the disk 11 between the long blade pressure surface 21 and the short blade suction surface 32 adjacent to each other is defined as the flow passage width M1 on the long blade pressure surface side, and the long blade pressure surface 22 and the short blade pressure surface 22 adjacent to each other.
  • a distance between the blade pressure surface 31 and the outer peripheral edge of the disk 11 is defined as a flow path width M2 on the long blade suction surface side.
  • the channel width M2 is equal to or less than the channel width M1.
  • the ratio of the channel width M1 on the long blade pressure surface side to the channel width M2 on the long blade suction surface side is preferably 3: 7 to 1: 1. Since the fluid flowing through the impeller flow path F tends to flow along the long blade suction surface 22, the flow width M1 on the long blade pressure surface side should be narrower than the flow path width M2 on the long blade suction surface side. Thus, the fluid is easily distributed uniformly in the region of the channel width M1 and the channel width M2.
  • the length in the length direction of the long blade 20 (the dimension along the center line of the long blade 20) is the long blade length QL
  • the center line of the short blade 30 (the dimension known to the center line of the short blade) is the short blade.
  • Long QS the center line is formed by connecting points where the distance from the pressure surface and the suction surface is the same at each circumferential position in a range where the pressure surface and the suction surface extend from the inside to the outside in the radial direction. It is a line segment.
  • the short blade length QS is more preferably 80% or less of the long blade length QL. Further, when the length of the short blade length QS is 20% or more of the length of the long blade length, the fluid flowing so as to follow the surface of the long blade 20 is more difficult to peel off. Therefore, the short blade length QS is preferably 20% or more and 80% or less of the long blade length QL.
  • the distance between the long blade 20 and the short blade 30 may be set using the width of the long blade 20 and the short blade 30 on the outer peripheral edge of the disk 11.
  • the width of the long blade 20 on the outer peripheral edge of the disk 11 is the long blade outlet width TL
  • the width of the short blade 30 is the short blade outlet width TS
  • the outer diameter of the impeller 3 (the outer diameter of the disk 11) is D.
  • the number Z of long blades 20 is assumed. At this time, it is preferable that the relationship of TL ⁇ TS ⁇ 0.5 ⁇ ⁇ D / Z ⁇ TL is satisfied. As a result, fluid separation from the surface of the long blade 20 can be suppressed.
  • the rotor 2 is rotationally driven around the axis O by a drive source (not shown).
  • the impeller 3 provided integrally on the rotor 2 also rotates.
  • an external fluid is introduced into the fluid flow path 8 through the introduction port 9.
  • the pressure of the fluid rises while passing through the impeller flow path F formed in the impeller 3.
  • six impellers 3 are provided in the centrifugal pump. That is, the fluid is pumped from the upstream side to the downstream side while the pressure is sequentially increased by the six impellers 3. Thereafter, the high pressure fluid is discharged from the discharge port 10 provided on the downstream side of the casing 4 to the outside. During the operation of the pump, the above cycle is continuously repeated.
  • the impeller 3 rotates from the other side in the circumferential direction toward one side.
  • the fluid that flows into the impeller flow path F from the introduction portion 12 of the disk 11 flows from the radially inner side to the outer side along the impeller flow path F.
  • the short blade 30 when the short blade 30 is not provided and the configuration includes only the long blade 20 and the dimensions in the circumferential direction of the long blade 20 are the same over the entire radial direction, between the long blades 20.
  • a flow path becomes large compared with the case where the dimension in the circumferential direction of the long blade 20 is expanding gradually.
  • the dimension of the flow path in the circumferential direction increases toward the outer side in the radial direction. That is, the area expansion rate in the region between the long blades 20 increases.
  • the area expansion rate when the area expansion rate is large, the fluid flowing from the radially inner side to the outer side may not follow the surface of the long blade 20 and may cause flow separation on the surface. When such flow separation occurs, not only the desired lift is not obtained, but also the efficiency of the centrifugal pump 1 may be affected.
  • the short blades 30 are provided between the long blades 20 adjacent to each other.
  • the area expansion rate of the flow path formed between the long blades 20 (area from the radially inner side to the outer side) (Magnification rate) can be kept small.
  • the weight is reduced and the occurrence of unbalanced vibration of the impeller can be suppressed. Therefore, flow separation and discharge pressure pulsation on the surfaces of the long blade 20 and the short blade 30 can be reduced, and the efficiency of the centrifugal pump 1 can be improved.
  • the diffuser 5 is provided on the outer peripheral side of the impeller 3, and is disposed so as to communicate the inner peripheral side and the outer peripheral side of the diffuser 5.
  • the passage formed by the diffuser blades 40 adjacent to each other decelerates the fluid from the impeller 3.
  • the diffuser blade 40 has a required spread and is disposed at an appropriate circumferential position in accordance with the outflow direction of the fluid from the impeller 3.
  • the diffuser blades 40 are fixed on the casing 4.
  • the impeller 3 is composed of six blades including three long blades 20 and three short blades 30. 7 or 8 diffuser blades 40 that are gradually enlarged from the leading edge to the trailing edge.
  • the thickness of the diffuser blade 40 is gradually increased from the leading edge to the trailing edge of the diffuser blade 40.
  • the diffuser 5 includes a diffuser long blade 41 having an equal blade thickness that protrudes from the radially inner side to the radially outer side, and a rear edge from the front edge. And a diffuser short blade 42 that gradually increases in thickness toward the edge.
  • the fluid whose speed has been increased by the impeller 3 is introduced into the diffuser 5 to increase the pressure while decreasing the speed.
  • the diffuser long blades 41 having a blade thickness smaller than that of the diffuser short blades 42 it is possible to suppress fluid separation as in the first embodiment.
  • the weight of the centrifugal pump 1 can be reduced by making the shape of the diffuser long blade 41 thinner than the diffuser short blade 42. Further, the diffuser long blade 41, which is thinner than the diffuser short blade 42 in which the blade thickness gradually increases, can reduce the manufacturing cost.
  • the impeller 3 has 6 blades and 7 or 8 diffuser blades.
  • the present invention is not limited to this.
  • the impeller 3 is a so-called open impeller without a cover, but may be a closed impeller with a cover.
  • the centrifugal pump 1 has been described as an example of the rotating machine, but the present invention may be applied to other rotating machines.
  • This impeller and rotating machine can reduce flow separation and stabilize rotation.

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Abstract

このインペラは、軸線（Ｏ）を中心とした円盤状をなすディスク（１１）と、前記ディスク（１１）の軸線方向一方側のディスク面（１１ａ）に周方向に間隔をあけて設けられて、径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側に向かって延びて前記ディスク（１１）の外周縁に至る長翼（２０）と、前記ディスク面（１１ａ）における互いに隣り合う長翼（２０）同士の間に設けられて、前記長翼（２０）の径方向内側の端部よりも径方向外側の位置から、径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側に延びて前記外周縁に至る短翼（３０）と、を備え、前記短翼（３０）は、径方向外側に向かうにしたがって周方向における寸法が漸次大きくなり、前記長翼（２０）は、外周縁での周方向の寸法が前記短翼（３０）の前記外周縁での周方向の寸法よりも小さい。

Description

インペラ及び回転機械
　本発明は、インペラ及び回転機械に関する。本願は、２０１６年１０月２１日に、日本に出願された特願２０１６－２０６９９８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　回転機械の一例として、流体を圧送するための遠心ポンプが広く用いられている（下記特許文献１参照。）このような遠心ポンプでは、複数の羽根を有するインペラを回転させることで、流体が圧送される。インペラは、円盤状のディスクと、ディスク上の面であるディスク面で周方向に間隔をあけて配列された複数の羽根と、有している。隣接する一対の羽根同士の間に形成される流路は、ディスクの径方向内側から外側に向かうに従って次第にその面積が拡大している。
特開２００７－４０２１０号公報
　上記のようなインペラでは、一般に羽根同士の間の流路における流れ方向の面積拡大率が大きいことから、流路を流れる流体が羽根の表面に追従し切れずに、前記表面での流れの剥離を生じる場合がある。このような流れの剥離が生じた場合には、当初想定した揚程が得られないばかりでなく、遠心ポンプの効率に影響が及ぶ場合もある。
　一方、流れの剥離を抑制すべく、不用意に翼厚を外周側で広くした場合には、インペラの外周側での重量が大きくなる結果、アンバランス振動を招く場合もある。また、吐出圧の脈動が大きくなる傾向もある。
　このような課題は遠心ポンプのみならず、インペラを用いた他の回転機械でも生じている。
　本発明は、流れの剥離を低減できるとともに回転の安定化を図ることのできるインペラ及び回転機械を提供する。
　本発明の第一の態様によれば、インペラは、軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、前記ディスクの軸線方向一方側のディスク面に周方向に間隔をあけて設けられて、径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側に向かって延びて前記ディスクの外周縁に至る長翼と、前記ディスク面における互いに隣り合う長翼同士の間に設けられて、前記長翼の径方向内側の端部よりも径方向外側の位置から、径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側に延びて前記外周縁に至る短翼と、を備え、前記短翼は、径方向外側に向かうにしたがって周方向における寸法が漸次大きくなり、前記長翼は、前記外周縁での周方向の寸法が前記短翼の前記外周縁での周方向の寸法よりも小さい。
　上記短翼及び長翼の双方を備えることで、長翼のみを備える場合に比べて互いに隣り合う長翼同士の間に形成される流路の面積拡大率を小さく抑えることができる。したがって、長翼の表面で流れの剥離が生じる可能性を低減することができる。
　加えて、短翼のみを備える場合に比べて、外周側での重量を低減することができる。これにより、アンバランス振動を抑制することができる上、吐出圧の脈動も抑制可能である。
　本発明の第二の態様によれば、前記長翼は、前記長翼と周方向他方側に隣り合う前記短翼との間の流路幅が最も小さいスロート位置よりも径方向外側の部分での厚さが、前記スロート位置での厚さ以下とされてもよい。
　この構成によれば、長翼の重量の増加が抑制され、インペラのバランスが向上する。さらに、長翼とディフューザとの干渉を抑制することができ、吐出圧の脈動低減することができる。
　本発明の第三の態様によれば、前記長翼は、周方向一方側を向く長翼正圧面と、周方向他方側を向く長翼負圧面と、を有し、前記短翼は、周方向一方側を向く短翼正圧面と、周方向他方側を向く短翼負圧面と、を有し、前記ディスクの前記外周縁上における前記長翼の負圧面から前記短翼の正圧面までの周方向の寸法を長翼負圧面側の流路幅とし、前記長翼の正圧面から前記短翼の負圧面までの周方向の寸法を長翼正圧面側の流路幅としたとき、前記長翼負圧面側の流路幅は、前記長翼正圧面側の流路幅以下となってもよい。
　この構成によれば、短翼を長翼正圧面側に寄せることによって長翼同士の間にできるスロートと長翼負圧面と短翼正圧面の間にできるスロートの流路面積変化を低減することができる。これにより、ディスクの径方向内側から径方向の外側に流体が流れる際に圧力の損失を低減することができる。
　本発明の第四の態様によれば、前記長翼正圧面側の流路幅と前記長翼負圧面側の流路幅の比が３：７～１：１の範囲とされていてもよい。
　この構成によれば、径方向内側から径方向外側に向かって流れる流体の損失をさらに低減することができる。
　本発明の第五の態様によれば、前記短翼の翼長は前記短翼の翼長の２０％以上８０％以下であってもよい。
　この構成によれば、短翼翼長を長翼翼長の２０％以上８０％以下としたとき、互いに隣り合う長翼同士の間のスロートの形成を阻害することなく、外周縁上で互いに隣り合う長翼同士の間隔が拡大されて剥離が生じるのを防ぐことができる。さらに、２０％以上７０％以下とするとさらに好適である。
　本発明の第六の態様によれば、前記外周縁おける前記長翼の幅を長翼出口幅ＴＬ、前記短翼の幅を短翼出口幅ＴＳとし、前記インペラの外径をＤ、前記長翼の枚数Ｚとしたとき、ＴＬ＜ＴＳ＜０.５×πＤ／Ｚ－ＴＬの関係が成立してもよい。
　この構成によれば、短翼出口幅の寸法を外周縁上において互いに隣り合う長翼同士の寸法間隔の半分よりも小さくすることによって、径方向内側から径方向外側に向かって流れる流体の流路を過度に狭くすることなく流体を流通させることができる。
　本発明の第七の態様によれば、回転機械は、軸線に沿って延びるロータと、前記ロータに取り付けられた上記第一から第六の態様のいずれか一項に係るインペラと、前記インペラを外周側から覆うケーシングと、を備える。
　この構成の回転機械によれば、上記同様の作用効果を奏する。
　本発明の第八の態様によれば、前記インペラの外周側に設けられたディフューザをさらに備え、前記ディフューザは前縁から後縁にかけて翼厚が漸次拡大するディフューザ翼を備えてもよい。
　この構成によれば、ディフューザ翼の翼厚が前縁から後縁にかけて漸次拡大することにより、ディフューザ内においても流路な過度な拡大を抑制し、剥離損失を抑制することができる。さらに、長翼のディフューザとの干渉による非定常流体力や圧力脈動が大きくなるのを抑制することもできる。
　本発明の第九の態様によれば、前記インペラの外周側に設けられたディフューザをさらに備え、前記ディフューザは、前縁から後縁にかけて翼厚が漸次拡大するディフューザ短翼と、翼厚が前記ディフューザ短翼の後縁よりも薄いディフューザ長翼と、を有していてもよい。
　この構成によれば、全ディフューザ翼の翼厚が前縁から後縁にかけて漸次拡大する形状よりも構造を簡素化することができるため、コストダウンも図ることができる。
　上記インペラ及び回転機械によれば、流れの剥離を低減できるとともに回転の安定化を図ることができる。
本発明の第一実施形態に係る回転機械（ポンプ）の模式的な縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係るインペラ及びディフューザを軸線方向から見た図である。 本発明の第一実施形態に係るインペラ及びディフューザの軸線に直交する断面図である。 本発明の第二実施形態に係るインペラ及びディフューザを軸線方向から見た図である。
[第一実施形態]
　本発明の第一実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
　図１に示すように、遠心ポンプ１は、軸線Ｏに沿って延びるロータ２と、ロータ２の外周部に取り付けられたインペラ３と、ロータ２及びインペラ３を外周側から覆うケーシング４と、ディフューザ５を備えている。
　ロータ２は、軸線Ｏを中心とする円柱状をなしている。ロータ２の軸線Ｏ方向両側の端部にはジャーナル軸受６及びスラスト軸受７が設けられている。これらの軸受装置によって、ロータ２は軸線Ｏ周りに回転可能に支持されている。ジャーナル軸受６は、ロータ２の荷重を径方向から支持するための軸受である。スラスト軸受７は、ロータ２に係るスラスト方向（軸線Ｏ方向）の荷重を支持するための軸受である。
　インペラ３は、ロータ２の外周部に対して、たとえば締り嵌めを施すことによって固定されている。すなわち、インペラ３はロータ２と一体に軸線Ｏ周りに回転する。
　ケーシング４は、ロータ２及びインペラ３を内部に収容するとともに、流体を流通させるための流体流路８を形成する。より詳細には、ケーシング４の内周面は、軸線Ｏ方向一方側（図１の左側）から軸線Ｏ方向他方側（図１の右側）に向かうにしたがって拡径と縮径とを繰り返すことで、上記の流体流路８を形成している。
　ケーシング４の軸線Ｏ方向一方側には、外部から流体を導入するための導入口９が形成されている。他方で、ケーシング４の軸線Ｏ方向他方側には、流体流路８を通じて圧送された流体を吐出する吐出口１０が形成されている。以降の説明では、導入口９が位置する側を上流側と呼び、吐出口１０が位置する側を下流側と呼ぶ。
　そして、ディフューザ５は、ケーシング４によって形成される流体流路８における各インペラ３の流体の出口側に設けられている。
　次に図２を参照し、インペラ３の詳細な構成について説明する。図２に示すように、インペラ３は、軸線Ｏを中心とする円盤状のディスク１１と、このディスク１１の軸線Ｏ方向一方側に設けられた複数（本実施形態では３つ）の長翼２０と、複数（本実施形態では３つ）の短翼３０と、を有している。
　ディスク１１における一方側を向くディスク面１１ａの中心を含む領域には、上記の流体流路８を通じて流れてきた流体を導くための導入部１２が形成されている。長翼２０は、それぞれ導入部１２から径方向外側に向かって延びている。長翼２０は、周方向一方側（インペラ３の回転方向前方側）を向く長翼正圧面２１と、周方向他方側（インペラ３の回転方向後方側）を向く長翼負圧面２２と、を有している。
　短翼３０は、長翼の径方向内側の端部よりも径方向外側の位置から外周縁に至るまで、径方向外側に向かって延びている。短翼３０は、周方向一方側を向く短翼正圧面３１と周方向他方側を向く短翼負圧面３２と、を有している。
　さらに、長翼２０は、軸線Ｏに対する径方向内側から径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側から他方側に向かって湾曲している。これにより長翼正圧面２１は、周方向一方側に凸となる凸曲面状をなしている。長翼負圧面２２は、周方向一方側に向かって凹む凹曲面状をなしている。
　短翼３０は径方向内側から径方向外側に向かうにしたがって、周方向における寸法が漸次拡大している。すなわち、この短翼３０では、径方向外側の部分になるほど肉厚が増している。そして、短翼３０の外周側の端部は、ディスク１１の外周縁に沿う短翼外周部３３とされている。
　このような長翼２０及び短翼３０が軸線Ｏの周方向に間隔をあけて３つずつ交互に配置されている。なお、短翼３０と長翼２０は同数でなくてもよく、互いに隣り合う長翼同士の間に短翼が複数配置されてもよい。
　互いに隣り合う長翼２０及び短翼３０同士の間には周方向に広がる空間が形成されている。この空間は導入部１２から導かれた流体が流通するインペラ流路Ｆとされている。インペラ流路Ｆは、径方向内側から外側に向かうにしたがって周方向における寸法が拡大する。さらに、インペラ流路Ｆは径方向内側から外側に向かうにしたがって、周方向一方側から他方側に向かって湾曲している。
　次にインペラ３における長翼２０及び短翼３０のハブ側（ディスク１１側）について図３を参照して説明する。
　インペラ３の内周部における短翼３０が形成されていない部分では、長翼２０同士が隣り合っている。互いに隣り合う長翼２０同士の間のインペラ流路Ｆにおける流路幅が最も小さくなる箇所は第一スロート位置Ｓ１とされている。
　インペラ３の外周部における長翼２０と短翼３０とが隣り合う部分における長翼２０と短翼３０との間のインペラ流路Ｆが最も小さくなる箇所は、第二スロート位置Ｓ２とされている。
　本実施形態では、長翼２０の厚さは、径方向内側の端部から径方向外側に向かうに従って、漸次大きくなり、第二スロート位置Ｓ２にて最も大きくなる。そして、第二スロート位置Ｓ２よりも径方向外側の部分では、前記第二スロート位置Ｓ２よりも厚さが小さくなる。特に本実施形態では、第二スロート位置Ｓ２よりも径方向外側に向かうに従って長翼２０の厚さは漸次小さくなる。
　ここで、互いに隣り合う長翼正圧面２１と短翼負圧面３２とのディスク１１の外周縁における寸法間隔を長翼正圧面側の流路幅Ｍ１とし、互いに隣り合う長翼負圧面２２と短翼正圧面３１とのディスク１１の外周縁における寸法間隔を長翼負圧面側の流路幅Ｍ２とする。本実施形態では、流路幅Ｍ２は流路幅Ｍ１以下とされている。
　さらに、長翼正圧面側の流路幅Ｍ１と長翼負圧面側の流路幅Ｍ２の流路幅の比は３：７～１：１とされていることが好ましい。インペラ流路Ｆを流通する流体は長翼負圧面２２に沿って流れやすい性質を持つため、長翼正圧面側の流路幅Ｍ１を長翼負圧面側の流路幅Ｍ２よりも狭くすることによって、流体が流路幅Ｍ１と流路幅Ｍ２との領域に均一に配分され易くなる。
　また、長翼２０の長さ方向の寸法（長翼２０の中心線に沿った寸法）を長翼翼長ＱＬとし、短翼３０の中心線（短翼の中心線に知った寸法）を短翼翼長ＱＳとする。ここで、中心線とは、正圧面と負圧面が径方向内側から外側に至る範囲において、各周方向位置におけるこれら正圧面と負圧面とからの距離が同一となる点を結んで構成される線分である。
　短翼３０において径方向の最も内側となる部分は、第一スロート位置に侵入していない方が好ましい。これにより、長翼２０と隣り合う短翼３０との間に形成されるインペラ流路Ｆに流体が流れやすくなる。また、短翼翼長ＱＳは長翼翼長ＱＬの８０％以下とするとより好ましい。さらに、短翼翼長ＱＳの長さが長翼翼長の２０％以上であるほうが長翼２０表面を添うように流れる流体が剥離しにくい。したがって、短翼翼長ＱＳは、長翼翼長ＱＬの２０％以上８０％以下とされることが好ましい。
　長翼２０および短翼３０の間隔は、ディスク１１の外周縁上における長翼２０と短翼３０の幅を用いて設定してもよい。ここで、ディスク１１の外周縁上における長翼２０の幅を長翼出口幅ＴＬ、短翼３０の幅を短翼出口幅ＴＳとし、インペラ３の外径（ディスク１１の外径）をＤ、長翼２０の枚数Ｚとする。
　この際、ＴＬ＜ＴＳ＜０.５×πＤ／Ｚ－ＴＬの関係が成立することが好ましい。これによって、長翼２０表面からの流体の剥離を抑制することができる。
　次に遠心ポンプ１及びインペラ３の動作について説明する。遠心ポンプ１を運転するに当たっては、まず駆動源（図示省略）によって、ロータ２を軸線Ｏ周りに回転駆動する。ロータ２の回転に伴って、ロータ２上に一体に設けられたインペラ３も回転する。インペラ３の回転によって、導入口９を通じて外部の流体が流体流路内８に導かれる。このとき、インペラ３に形成されたインペラ流路Ｆを通過する間に流体の圧力が上昇する。ここで、本実施形態では、遠心ポンプに６つのインペラ３が設けられている。すなわち、これら６つのインペラ３によって圧力が順次高められながら、上流側から下流側に向かって流体が圧送される。その後、高圧となった流体は、ケーシング４の下流側に設けられた吐出口１０から外部に向かって吐出される。ポンプの運転中には、以上のようなサイクルが連続的に繰り返される。
　続いてインペラ流路Ｆ内における流体の挙動について説明する。同図に示すように、遠心ポンプ１の運転中には、インペラ３は周方向他方側から一方側に向かって回転している。インペラ３の回転に伴って、ディスク１１の導入部１２からインペラ流路Ｆ中に流入した流体は、前記インペラ流路Ｆに沿って径方向内側から外側に流れる。
　ここで、短翼３０が設けられておらず、長翼２０のみを備えた構成であり、かつ長翼２０の周方向における寸法が径方向全域にわたって同一である場合、長翼２０同士の間の流路は、長翼２０の周方向における寸法が漸次拡大している場合に比べて大きくなる。特に、径方向外側に向かうほど、前記流路の周方向の寸法が拡大している。すなわち、長翼２０同士の間の領域における面積拡大率が大きくなってしまう。このように、面積拡大率が大きい場合、径方向内側から外側に向かって流れる流体が長翼２０の表面に追従しきれずに、前記表面で流れの剥離を生じる可能性がある。このような流れの剥離を生じた場合、所期の揚程が得られないばかりでなく、遠心ポンプ１の効率に影響が及ぶ場合もある。
　一方、長翼２０における寸法を径方向内側から径方向外側に向かうにしたがって漸次拡大した場合では、上述の長翼２０表面に流体が追従しきれなくなってしまう問題は解決される。しかしながら、長翼２０が外周縁に近づくにつれて重量を増すため、アンバランス振動の要因となる上、吐出圧の脈動が生じやすくなる。
　これに対して本実施形態に係るインペラ３では、互いに隣り合う長翼２０の間に短翼３０を設けられている。これにより、長翼２０のみで周方向における寸法が径方向全域にかけて同一である場合に比べて、長翼２０同士の間に形成される流路の面積拡大率（径方向内側から外側にかけての面積拡大率）を小さく抑えることができる。さらに、長翼２０の寸法を径方向内側から外側に向かうにしたがって漸次拡大した場合に比べて、重量が低減されインペラのアンバランス振動の発生を抑えることができる。したがって、長翼２０及び短翼３０の表面での流れの剥離や吐出圧脈動を低減することができ、遠心ポンプ１の効率を向上させることができる。
　ここで、図１および図２に示すように、ディフューザ５はインペラ３の外周側に設けられ、ディフューザ５の内周側と外周側とを連通するように配置されている。このディフューザ５では、互いに隣り合うディフューザ翼４０により形成される通路が、インペラ３からの流体を減速する。ディフューザ翼４０は所要の広がりを持って、インペラ３からの流体の流出方向に応じた適正な周方向位置に配置されている。
　ディフューザ翼４０はケーシング４上に固定されており、本実施形態では、インペラ３は長翼２０を３枚、短翼３０を３枚とした計６枚の翼から構成されており、ディフューザ５は、前縁から後縁にかけで漸次拡大された７枚または８枚のディフューザ翼４０から構成されている。
　ディフューザ翼４０の前縁を径方向内側とし、後縁を径方向外側とした場合、ディフューザ翼４０の前縁から後縁にかけて前記ディフューザ翼４０の翼厚が漸次拡大するように形成されている。これにより、ディフューザ５での急激な流路拡大による流体の剥離などを抑制し、効率よく流体の圧力を高めることができる。
　さらに、インペラ３の翼の合計枚数と、ディフューザ翼４０の枚数に公約数が存在しないように配置することにより、あるタイミングで見たときに同時に二つの流れがパッシングする動静翼同時パッシングの発生を低減することができる。
[第二実施形態]
　次に本発明の第二実施形態について図４を用いて説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
　図４に示すように、本実施形態に係るディフューザ５には、径方向内側から径方向外側に向かってケーシング４上に突出して設けられた翼厚の等しいディフューザ長翼４１と、前縁から後縁にかけて漸次翼厚の拡大するディフューザ短翼４２と、を備える。
　インペラ３によって速度を上げた流体は、ディフューザ５に導入され、速度を落としながら圧力を上昇させる。このとき、ディフューザ短翼４２よりも翼厚の小さいディフューザ長翼４１を交互に配置することによって、第一実施形態と同様に流体の剥離を抑制することができる。
　さらに、ディフューザ長翼４１の形状をディフューザ短翼４２よりも翼厚の薄い形状とすることにより、遠心ポンプ１の重量の低減ができる。また、漸次翼厚が拡大するディフューザ短翼４２よりも薄いディフューザ長翼４１は製造コストも抑えることができる。
　以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
　なお、上記実施形態ではインペラ３の翼枚数を６枚、ディフューザ翼を７枚または８枚としたが、これに限るものではない。
　また、実施形態では、インペラ３はカバーを有さないいわゆるオープンインペラであったが、カバーを有したクローズドインペラであってもよい。
　さらに、実施形態では、回転機械の例として遠心ポンプ１を挙げて説明したが、他の回転機械に本発明を適用してもよい。
　このインペラ及び回転機械によれば、流れの剥離を低減できるとともに回転の安定化を図ることができる。
１　　遠心ポンプ
２　　ロータ
３　　インペラ
４　　ケーシング
５　　ディフューザ
６　　ジャーナル軸受
７　　スラスト軸受
８　　流体流路
９　　導入口
１０　吐出口
１１　ディスク
１１ａ　　　 ディスク面
１２　導入部
２０　長翼
２１　長翼正圧面
２２　長翼負圧面
３０　短翼
３１　短翼正圧面
３２　短翼負圧面
３３　短翼外周部
４０　ディフューザ翼
４１　ディフューザ長翼
４２　ディフューザ短翼
Ｏ　　軸線
Ｆ　　インペラ流路
Ｓ１　第一スロート位置
Ｓ２　第二スロート位置
ＱＬ　長翼翼長
ＱＳ　短翼翼長 

Claims (9)

  1. 　軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、
    前記ディスクの軸線方向一方側のディスク面に周方向に間隔をあけて設けられて、径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側に向かって延びて前記ディスクの外周縁に至る長翼と、
    　前記ディスク面における互いに隣り合う長翼同士の間に設けられて、前記長翼の径方向内側の端部よりも径方向外側の位置から、径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側に延びて前記外周縁に至る短翼と、
    を備え、
    　前記短翼は、径方向外側に向かうにしたがって周方向における寸法が漸次大きくなり、
    　前記長翼は、前記外周縁での周方向の寸法が前記短翼の前記外周縁での周方向の寸法よりも小さい
    インペラ。
  2. 　前記長翼は、前記長翼と周方向他方側に隣り合う前記短翼との間の流路幅が最も小さいスロート位置よりも径方向外側の部分での厚さが、前記スロート位置での厚さ以下とされている請求項１に記載のインペラ。
  3. 　前記長翼は、周方向一方側を向く長翼正圧面と、周方向他方側を向く長翼負圧面と、を有し、
    　前記短翼は、周方向一方側を向く短翼正圧面と、周方向他方側を向く短翼負圧面と、を有し、 
    　前記ディスクの前記外周縁上における前記長翼の負圧面から前記短翼の正圧面までの周方向の寸法を長翼負圧面側の流路幅とし、前記長翼の正圧面から前記短翼の負圧面までの周方向の寸法を長翼正圧面側の流路幅としたとき、
    　前記長翼負圧面側の流路幅は、前記長翼正圧面側の流路幅以下となる請求項１又は２に記載のインペラ。
  4. 　前記長翼正圧面側の流路幅と前記長翼負圧面側の流路幅との比が３：７～１：１の範囲とされている請求項３に記載のインペラ。
  5. 　前記短翼の翼長は前記短翼の翼長の２０％以上８０％以下である請求項１から４のいずれか一項に記載のインペラ。
  6. 　前記外周縁おける前記長翼の幅を長翼出口幅ＴＬ、前記短翼の幅を短翼出口幅ＴＳとし、前記インペラの外径をＤ、前記長翼の枚数Ｚとしたとき、
    ＴＬ＜ＴＳ＜０.５×πＤ／Ｚ－ＴＬ
    の関係が成立する請求項１から５いずれか一項に記載のインペラ。
  7. 　軸線に沿って延びるロータと、
    　前記ロータに取り付けられた請求項１から６のいずれか一項に記載のインペラと、
    　前記インペラを外周側から覆うケーシングと、を備える回転機械。
  8. 　前記インペラの外周側に設けられたディフューザをさらに備え、
    　前記ディフューザは、前縁から後縁にかけて翼厚が漸次拡大するディフューザ翼を有する請求項７に記載の回転機械。
  9. 　前記インペラの外周側に設けられたディフューザをさらに備え、
    　前記ディフューザは、前縁から後縁にかけて翼厚が漸次拡大するディフューザ短翼と、
    　翼厚が前記ディフューザ短翼の後縁よりも薄いディフューザ長翼と、
    を有する請求項７に記載の回転機械。
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